Ванадий металл. Основные свойства ванадия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Ванадий - двадцать третий элемент Периодической таблицы. Обозначение - V от латинского «vanadium». Расположен в четвертом периоде, VB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 23.

Соединения ванадия широко распространены в природе, но они очень распылены и не образуют сколько-нибудь значительных скоплений; общее содержание ванадия в земной коре оценивается в 0,0015% (масс.).

Чистый ванадий - серебристый металл (рис. 1) ковкий металл, плотностью 5,96 г/см 3 , плавящийся при температуре 1900 o С. Как и у титана, механические свойства ванадия резко ухудшаются при наличии в нем примесей кислорода, азота, водорода.

Рис. 1. Ванадий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса ванадия

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии кальций существует в виде одноатомных молекул V, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 50,9962.

Изотопы ванадия

Известно, что в природе ванадий может находиться в виде единственного стабильного изотопа 51 V. Массовое число равно 51, ядро атома содержит двадцать три протона и двадцать восемь нейтронов.

Существуют искусственные изотопы ванадия с массовыми числами от 40-ка до 65-ти, среди которых наиболее стабильным является 50 V с периодом полураспада равным 1,5×10 17 лет, а также пять ядерных изотопов.

Ионы ванадия

На внешнем энергетическом уровне атома ванадия имеется пять электронов, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 .

В результате химического взаимодействия ванадий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

V o -2e → V 2+ ;

V o -3e → V 3+ ;

V o -4e → V 4+ ;

V o -5e → V 5+ .

Молекула и атом ванадия

В свободном состоянии ванадий существует в виде одноатомных молекул V. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу ванадия:

Сплавы ванадия

Ванадий в основном используют в качестве добавки к сталям. Сталь, содержащая всего 0,1 - 0,3% ванадия отличается большой прочностью, упругостью и нечувствительностью к толчкам и ударам, что особенно важно, например, для автомобильных осей, которые все время подвергаются сотрясению. Как правило, ванадий вводят в сталь в комбинации с другими легирующими элементами: хромом, никелем, вольфрамом, молибденом.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Ванадий – неактивный элемент, в природе его соединения не реагируют на действие воздуха, воды, кислот или щелочей. Для его расплавления нужны очень высокие температуры. В организме ванадий тоже довольно инертен, хотя и вступает во взаимодействие с другими веществами.

Ванадий хорошо усваивается в присутствии цинка , фтора и селена , помогая всасыванию этих элементов. Ванадий считается токсичным веществом для человека, и эти его свойства могут усилиться, если одновременно с ним в организм попадают железо , магний , алюминий, аскорбиновая кислота (витамин С). А вот ослабить токсичность ванадия способны продукты с высоким содержанием хрома .

Важно! Ванадий снижает эффективность антикоагулянтов, поэтому нельзя принимать одновременно биодобавки с ванадием и препараты, снижающие свертываемость крови

Попадая в организм человека, ванадий депонируется в костях – это главное место накопления элемента, а также в мышечной и жировой тканях, причем в костях и зубах он помогает распределению кальциевых солей. В небольшом количестве ванадий есть в щитовидной железе и сердечной мышце, в легких, в селезенке и почках, где во взаимодействии с цирконием улучшает работу этих органов. Ванадий вступает во взаимодействие с калием и натрием , регулируя их баланс в тканях, при этом он помогает избавиться от отечностей.

Польза ванадия для здоровья пока плохо изучена. Известно на сегодня то, что этот элемент активно участвует в окислительных и восстановительных процессах на уровне клеток, нужен для дыхания и кроветворения, формирования костной ткани и роста зубов, для осуществления репродуктивных функций. Участие ванадия доказано в усилении зрения и стимулировании роста, в работе печени и почек, в укреплении сердечной мышцы и нервной системы.

Роль в возникновении и течение различных заболеваний

Роль ванадия в развитии заболеваний пока не имеет клинических подтверждений, но исследования показывают, что от содержания его в организме сильно зависит риск развития таких болезней как сахарный диабет, атеросклероз, нарушения работы почек и сердечно-сосудистой системы, снижение репродуктивных способностей.

Кроме этого, есть данные о том, что от уровня ванадия зависит проявление некоторых форм шизофрении.

Основные функции в организме

Воздействие ванадия на человеческий организм пока находится в стадии активного изучения и знания о нем еще недостаточны. Однако установлено, что соли ванадия способны имитировать эффект инсулина, регулируя углеводный обмен, так что ученые рассматривают возможность применения соединений ванадия при лечении сахарного диабета.

Еще одна ценная функция ванадия – он активизирует клетки иммунной системы фагоциты, которые поглощают чужеродные для организма частицы. К таким вредным частицам могут относиться вирусы, бактерии, токсические частички, отмершие или погибающие клетки. Активированные ванадием фагоциты очищают клетки и ткани, защищают организм от инфекций и воспалений.

Ванадий снижает выработку холестерина, поддерживает в здоровом состоянии сосуды мозга, тонизирует сердечную мышцу, понижает артериальное давление – все это важно для людей, страдающих заболеваниями сердечно-сосудистой системы.

Людям, стремящимся контролировать свою массу тела, будет интересно узнать о том, что ванадий необходим для усвоения жиров и углеводов, помогая в процессе их расщепления высвобождать энергию. Он нормализует обмен липидов и регулирует выработку жирных кислот.

Интересна функция ванадия как антиоксиданта: этот элемент активно вступает в окислительные реакции, предотвращая распространение и активизацию свободных радикалов, а также влияет на рост клеток, предупреждая их неконтролируемое деление – а значит и формирование злокачественных опухолей.

Среди других значимых функций ванадия в организме отметим следующие:

• вступает в комплексы с молекулами гемоглобина и стабилизирует их, предохраняя от окисления;
• выступает кофактором (стимулятором) ферментов, которые расщепляют и помогают усваивать белки;
• участвует в биосинтезе некоторых гормонов;
• улучшает усвоение кислорода тканями печени;
• контролирует работу нервной системы;
• участвует в формировании и росте костей скелета, зубов;
• предупреждает развитие атеросклероза.

Антиоксидантные и противомикробные свойства ванадия нашли применение в косметических средствах: например, экстракт василька, содержащий этот химический элемент, используют в косметике для ухода за чувствительной кожей вокруг глаз (он уменьшает отечность и улучшает тонус век), а также в средствах для проблемной кожи с элементами воспаленных высыпаний.

В каких продуктах содержится ванадий

Как сохранить ванадий в пище

Несмотря на химическую инертность, ванадий чувствителен к условиям хранения и обработки продуктов: он окисляется и переходит в плохо усвояемые формы при хранении на свету и в помещении с высокой влажностью, при длительной температурной обработке (отваривании, тушении), при размораживании продуктов. Оптимальный способ получить максимальное количество ванадия из продуктов – есть их в сыром виде (фрукты и овощи) либо отваривать в небольшом количестве воды или готовить на пару в течение непродолжительного времени.

Усвояемость минерала

Ванадий широко распространен в природе, больше всего этого вещества содержат морепродукты, грибы и злаки. Хорошо усваивается ванадий из меда в сотах и пчелиного маточного молочка.

Следует отметить, что организм способен усвоить только 1% от поступившего с едой элемента. Токсичность ванадия понижается, а усвоение улучшается в присутствии белковой пищи. Всасывание вещества происходит в тонком кишечнике, избыток выводится с мочой.

Сочетание с другими питательными веществами

В сочетании с другими питательными веществами ванадий выполняет транспортные функции – элемент помогает транспортировать белки, жиры и углеводы к клеткам мышц, способствуя их укреплению. Поэтому спортсменам во время активных тренировок рекомендуется увеличить ежедневное потребление продуктов с высоким содержанием ванадия – до 3 мг этого элемента в день.

Совет врача. Токсичность ванадия значительно снижается в присутствии хрома, поэтому полезно комбинировать в ежедневном меню продукты, содержащие оба этих элемента: например, морепродукты с рисом, грибы с брокколи, тунец со шпинатом

Суточные нормы

Ученые еще не определились с четкими нормами употребления ванадия, какое количество обязательно нужно получать с продуктами, и зависит ли оно от возраста либо других факторов. По рекомендациям ВОЗ (всемирная организация здоровья) от 2000 года суточная норма ванадия составляет от 6 до 63 мкг. Другие источники дают информацию о допустимом потреблении ванадия до 2 мг в день. Доза в 4 мг считается настолько токсичной, что может вызвать смертельный исход.

Что происходит при дефиците минерала

Последствия дефицита ванадия.

Примерное представление о том, как чувствует себя живой организм при дефиците ванадия, ученые имеют пока только на уровне лабораторных исследований. Недостаток этого вещества может ухудшить состояние костной и мышечной тканей, спровоцировать дефекты развития плода и выкидыши, ухудшить работу щитовидной железы, замедлить рост, стать причиной злокачественных новообразований.

Факторы, способствующие дефициту.

Причиной дефицита ванадия становится нарушение его всасывания в кишечнике или употребление биодобавок с веществами, которые ускоряют связывание и выведение этого элемента из организма, а также жесткие продолжительные монодиеты.

Как восполнить дефицит минерала.

При интенсивных тренировках спортсмены значительно расходуют энергию и нуждаются в дополнительном поступлении ванадия, участвующего в расщеплении глюкозы. Для пополнения запасов ванадия рекомендуется повысить содержание в меню соевых бобов, оливкового масла, укропа и редиса.

Избыток ванадия в организме

Некоторое время спортсмены считали, что биодобавки с содержанием ванадия могут способствовать в увеличении мышечной массы, однако проведенные исследования этого не подтвердили.

Избыток ванадия в организме – это более частая и конкретная тема обсуждения среди врачей, поскольку этот элемент может накопиться по следующим причинам:

• злоупотребление биодобавками с содержанием ванадия;
• вдыхание паров бензина, мазута, выхлопных газов, токсических выбросов при укладке асфальта;
• работа на производстве стекла;
• употребление воды, загрязненной отходами металлургических или нефтеперерабатывающих предприятий;
• употребление овощей, выросших на загрязненных промышленными отходами почвах.

Токсичность ванадия может стать причиной различных нарушений в организме. В условиях производства рабочие, имеющие дело с вдыханием частичек ванадия, часто страдают воспалительными заболеваниями глаз и дыхательных путей, различными болезнями кожи (экземы, дерматиты). Ванадий провоцирует скопление слизи в бронхах и развитие астмы, влияет на уменьшение количества лейкоцитов в крови и снижение иммунитета, способствует развитию анемии, нервных расстройств, обострениям заболеваний печени и почек.

Совет врача. При отравлении ванадием человек обычно ощущает тошноту и головную боль, он теряет аппетит и жалуется на диарею, депрессивное состояние, на языке может проступить зеленоватый налет, случается обезвоживание организма. Для нейтрализации токсического действия ванадия задействуют препараты хрома и аминокислоту ЭДТА (этилендиаминтетрауксусную кислоту)

Препараты, содержащие минерал

Из препаратов, содержащих ванадий, наиболее известен ванадил сульфат – биоактивная добавка, которую нередко принимают спортсмены при длительных и напряженных силовых тренировках. Эта добавка может быть рекомендована при избыточной массе тела и повышенном уровне холестерина, при некоторых нарушениях сердечной деятельности и сахарном диабете. Однако дозировку этого препарата и продолжительность приема обязательно должен контролировать врач.

Почему ванадий назвали металлом-хамелеоном, от чего зависит его изменение цвета и какими свойствами обладает этот металл, смотрите в видео ниже.

Ванадий имеет объемноцентрированную кубическую решетку с периодом а=3,0282А. В чистом состоянии Ванадий ковок, легко поддается обработке давлением. Плотность 6,11 г/см3; t пл 1900°С, t кип 3400°С; удельная теплоемкость (при 20-100°С) 0,120 кал/г·град; термический коэффициент линейного расширения (при 20-1000°С) 10,6·10-6 град-1; удельное электрическое сопротивление при 20°С 24,8·10-8ом·м (24,8·10-6 ом·см); ниже 4,5 К Ванадий переходит в состояние сверхпроводимости. Механические свойства Ванадия высокой чистоты после отжига: модуль упругости 135,25 н/м 2 (13520 кгс/мм 2), предел прочности 120 мн/м 2 (12 кгс/мм 2), относительное удлинение 17%, твердость по Бринеллю 700 мн/м 2 (70 кгс/мм 2). Примеси газов резко снижают пластичность Ванадия, повышают его твердость и хрупкость.

1. Химические свойства Ванадия

На воздухе Ванадий не изменяется, устойчив он к во­де, к растворам минеральных солей и щелочей. Кислоты на него действуют только такие, которые одновременно являются окислителями. На холоде на него не действу­ют разбавленные азотная и серная кислоты. По-видимо­му, на поверхности металла образуется тончайшая плен­ка оксида, препятствующая дальнейшему окислению металла. Для того что­бы заставить Ванадий интенсивно реа­гировать, его нужно нагреть. При 600-700°С происхо­дит интенсивное окисление компактного металла, а в мелкораздробленном состоянии он вступает в реакции при более низкой температуре .

Прямым взаимодействием элементов при нагрева­нии могут быть получены сульфиды, карбиды, нитриды, арсениды, силициды. Для техники важны желто-бронзо­вый нитрид VN (t пл = 2050°С), устойчивый к воде и кислотам, а также обладающий высокой твердостью карбид VC (t пл = 2800 °С).

Ванадий очень чувствителен к примесям газов (O 2 , N 2 , H 2), которые резко меняют его свойства, даже если присутствуют в самых незначительных количествам. Поэтому и сейчас можно в разных справочниках встре­тить различную температуру плавления Ванадия. За­грязненный Ванадий, в зависимости от чистоты и спосо­ба получения металла, может плавиться в интервале от 1700 до 1900°С. При чистоте 99,8 - 99,9 % его плот­ность равна 6,11 г/см3 при 20°С, температура плавле­ния составляет 1919°С, а температура кипения 3400 °С.

Металл исключительно стоек как в органических, так и в большинстве неорганических агрессивных средах. По стойкости к действию НС1, НВr и холодной серной кислоты он значительно превосходит титан и нержавею­щую сталь. С галогенами, за исключением самого агрес­сивного из них - фтора, соединений не образует. С фто­ром же дает кристаллы VF 5 , бесцветные, возгоняющиеся без превращения в жидкость при 111°С. Атмосфера из углекислого газа на металлический Ванадий действует значительно слабее, чем на его аналоги - ниобий и тан­тал. Он обладает высокой стойкостью к расплавленным металлам, поэтому может применяться в конструкциях атомных реакторов, где расплавленные металлы исполь­зуются как теплоносители. Ванадий не ржавеет ни в пресной, ни в морской воде, ни в растворах щелочей .

Из кислот на него действуют концентрированная сер­ная и азотная кислоты, плавиковая и их смеси.

Особенностью Ванадия считается высокая раствори­мость в нем водорода. В результате такого взаимодейст­вия образуются твердые растворы и гидриды. Наиболее вероятная форма существования гидридов - металлооб­разные соединения с электронной проводимостью. Они способны довольно легко переходить в состояние сверх­проводимости. Гидриды Ванадия могут с некоторыми твердыми или жидкими металлами образовывать рас­творы, в которых повышается растворимость водорода.

Самостоятельный интерес представляют карбиды Ва­надия, так как по своим качествам дают для современной техники материал с весьма ценными свойствами. Они ис­ключительно тверды, тугоплавки и обладают хорошей электрической проводимостью. Ванадий способен для образования своих карбидов даже вытеснить другие ме­таллы из их карбидов:

3V + Fе3С = V 3 С + 3Fе

Известен целый ряд соединений ванадия с углеродом :

V 3 С; V 2 C; VC; V 3 С 2 ; V 4 С 3

С большинством членов главной подгруппы Ванадий дает соединения как бинарные (т.е. состоящие только из двух элементов.), так и более сложного состава. Нит­риды образуются при взаимодействии порошка металла или его оксидов с газообразным аммиаком:

6V + 2NН 3 = 2V 3 N + 3Н 2

V 2 О 2 + 2NH 3 = 2VN + 2H 2 О + H 2

Для, полупроводниковой техники интерес представляют фосфиды V 3 Р, V 2 P, VP, VP 2 и арсениды V 3 As, VAs.

Комплексообразующие свойства Ванадия проявляются в об­разовании соединений сложного состава типа фосфорно-ванадиевой кислоты H 7 PV 12 O 36 или Н 7 [Р(V 2 O 6) 6 ].

ВАНАДИЙ (Vanadium), V (а. vanadium; н. Vanadin; ф. vanadium; и. vanadio), — химический элемент V группы периодической системы Менделеева, атомный номер 23, атомная масса 50,94. В природе известны два стабильных изотопа ванадия 50 V (0,25%) и 51 V (99,75%). Открыт мексиканским минерологом А. М. дель Рио в 1801.

Получение и применение ванадия

Металлический ванадий (95-99% V) получают карбо-, кальцие- и магниетермическим восстановлением технической V 2 О 5 или термической диссоциацией иодида ванадия. Для получения ванадия высокой чистоты применяется его рафинирование: электролиз расплавленных галогенидов ванадия, простая и зонная индукционная, дуговая и электроннолучевая плавка в вакууме. Около 90% ванадия потребляет чёрная металлургия, где он используется в качестве легирующей добавки к стали и чугуну. На основе ванадия создаются также различные сплавы, которые наряду с металлическим ванадием применяются как конструкционный материал в ядерных реакторах, а сплавы на основе Ti с присадками ванадия — в авиационной и ракетной технике. В химической промышленности соединения ванадия используются как катализаторы при контактном производстве серной кислоты; применяются в лакокрасочном, резиновом, текстильном, керамическом и других производствах.

Ванадий – вещество серебристо-серого цвета (см. фото), относится к группе металлов. Обладает химической инертностью и устойчив к действию серной, азотной и соляной кислот.

Элемент имеет довольно долгую историю открытия, начиная с 1801 года. Его обнаруживали несколько ученых в различных источниках. Однако именно ученый швед по фамилии Берцелиус дал ему нынешнее название в честь древнескандинавской богини красоты Ванадис.

В природе его обнаруживают в земной коре и воде, но в очень малых количествах и в виде соединений.

Основными потребителями ванадия являются черная металлургия, титановая промышленность, авиационная и ракетная область технологии. В чистом виде элемент активно используется в атомной энергетике и при производстве химических приборов, а в виде соединений в сельском хозяйстве, медицине, в кино- и фотопромышленности, лакокрасочной, текстильной, резиновой и стекольной промышленности.

Действие ванадия и его биологическая роль в организме человека

Действие макроэлемента распространено на все органы человеческого тела: костная ткань, сердце, мышцы, почки, легкие, щитовидная железа. И это, несмотря на то, что общее содержание элемента в организме составляет приблизительно 1 мкг, т.е. миллионная часть грамма. Ученые долго спорили о том, необходим ли ванадий нашему организму и только во второй половине 20 века его роль в биохимических реакциях была признана положительной, а соответственно необходимой для здоровья.

Биологическая роль элемента очень важна, а его участие в функциях организма довольно разнообразно:

Как говорится, маленький, да удаленький элемент.

Суточная норма

Суточная норма макроэлемента в среднем составляет 2 мкг (по другим источникам 10-25 мкг). Это количество вполне обеспечивается с пищей. Из этого количества организм усваивает около 1%, все остальное выводится почками.

Недостаток ванадия

Недостаток макроэлемента довольно редкое явление и вызвать его могут сахарный диабет и атеросклероз. Это своего рода замкнутый круг, т.к. дефицит элемента способен вызывать развитие этих заболеваний.

Обычным явлением при дефиците ванадия является сниженный уровень холестерина, и повышенный – триглецеридов и фосфолипидов при рассмотрении биохимического состава крови. Самым сложным осложнением при нехватке элемента может быть проявление шизофрении, но такие случаи были единичными.

На данный момент существуют данные о возможных последствиях лишь у животных. Недостаток сказывался на состоянии костей, щитовидной железы и ходе беременности.

Избыток ванадия

Переизбыток макроэлемента чаще всего можно встретить у сотрудников производства стекла, топлива и асфальта. Их профессиональным заболеванием является астма, экзема, воспаления кожи органов дыхания и зрения.

Токсичной считают прием дозы элемента в пределах 0,25 мг, а 2-4 мг делают ее летальной. В первом случае может происходить острая интоксикация с аллергическими проявлениями, снижается уровень лейкоцитов и гемоглобина в крови. Увеличивается риск раковых заболеваний, болезней органов дыхания.

При нахождении в группе риска стоит больше употреблять белковой пищи, а также повышать уровень хрома в организме.

Сложная экологическая обстановка способствует накоплению ванадия в организме. Замечаются последствия в виде высокого кровяного давления, нарушения работы нервной системы.

В каких источниках содержится?

Продукты, в которых содержится ванадий – это основной источник получения элемента организмом. Больше всего содержание его в морепродуктах и грибах, как ни странно лидером среди грибов является бледная поганка. Также много его в петрушке, шпинате, черном перце, печени, мясе, растительном масле, сое, злаках (особенно в неочищенном рисе).

Мед считается наиболее оптимальным источником среди всех ранее перечисленных. А вот в овощах и фруктах его практически нет. Также не стоит особо рассчитывать на животные жиры, сливочное масло, шоколад, макароны и творог.

Усвоению способствуют аскорбиновая кислота, железо и алюминий.

Показания к назначению

Показания к назначению макроэлемента носят в основном гомеопатический характер. Его назначают в качестве противовоспалительного, спазмолитического и ангиопротекторного препарата.

Применяют ванадий при атеросклерозе, при повышенном уровне холестерина и нарушении обмена веществ из-за «зашлакованных» сосудов.